DESENVOLVIMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO
DE MICROCÁPSULAS CONTENDO Bifidobacterium BB-12
PRODUZIDAS POR SPRAY DRYING COM SORO DE LEITE E
PREBIÓTICOS
Florianópolis
2016
CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE
ALIMENTOS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DOS
ALIMENTOS
Stephanie Silva Pinto
DESENVOLVIMENTO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO
DE MICROCÁPSULAS CONTENDO Bifidobacterium BB-12
PRODUZIDAS POR SPRAY DRYING COM SORO DE LEITE E
PREBIÓTICOS
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos, do Centro de Ciências Agrárias, da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Doutor em Ciência dos Alimentos. Orientadora: Profª. Drª. Renata Dias de Mello Castanho Amboni
Florianópolis
2016
Pinto, Stephanie Silva
Desenvolvimento, caracterização e aplicação de microcápsulas contendo Bifidobacterium BB-12 produzidas por spray drying com soro de leite e prebióticos / Stephanie Silva Pinto ; orientadora, Profª. Drª. Renata Dias de Mello Castanho Amboni - Florianópolis, SC, 2016. 157 p.
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias. Programa de Pós Graduação em Ciência dos Alimentos.
Inclui referências
1. Ciência dos Alimentos. 2. Microencapsulação.
Probiótico. 3. Soro de leite. Prebióticos. 4. Nanofiltração. 5. Iogurte tipo grego. I. Amboni, Profª. Drª. Renata Dias de Mello Castanho . II. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos. III. Título.
PRODUZIDAS POR SPRAY DRYING COM SORO DE LEITE E
PREBIÓTICOS
Por
Stephanie Silva Pinto
Esta tese foi julgada adequada para obtenção do Título de ―Doutor em
Ciência dos Alimentos‖, e aprovada em sua forma final pelo Programa
de Pós Graduação em Ciência dos Alimentos.
Florianópolis, 11 de março de 2016.
_________________________________________________
Prof.(a). Dr.(a). Roseane Fett
Coordenador
Banca examinadora:
_________________________________________________
Prof.(a). Dr.(a). Renata dias de Mello Castanho Amboni
Orientador (UFSC)
_________________________________________________
Prof.(a). Dr.(a). Neila Silvia Pereira dos Santos Richards,
Membro (UFSM)
_________________________________________________
Prof.(a). Dr.(a). Fábio Murakami,
Membro (UFPR)
_________________________________________________
Prof.(a). Dr.(a). Carmen Maria Oliveira Müller,
Membro (UFSC)
_________________________________________________
Prof.(a). Dr.(a). Elane Schwinden Prudêncio,
A Deus, que me deu força de vontade e saúde para conquistar
mais esta etapa;
À Universidade Federal de Santa Catarina e ao Programa de
Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos, pelo aprendizado e oportunidade
de realizar o doutorado;
A minha querida orientadora Profª Renata Dias de Mello
Castanho Amboni, por ter me aceito como sua aluna, pela dedicação,
confiança, amizade e por todos os ensinamentos;
Aos meus pais Sergio e Beatriz pelo amor e apoio que me deram
durante toda essa caminhada;
Ao meu namorado Mitchel por estar sempre ao meu lado, me
dando apoio e me incentivando a ser mais confiante e otimista;
À Profª Elane Prudêncio, por me acolher em seu laboratório, por
todas as contribuições durante o trabalho e pelo constante apoio;
Às queridas colegas do Laboratório de Leite e Derivados, pela
agradável companhia e por toda a ajuda. Em especial à Carlise e à
Silvani pelo valioso auxilio em partes importantes do trabalho e às IC‘s
Lara e Bianca que me acompanharam durante praticamente durante todo
o doutorado, estando sempre prontas para ajudar nas análises de
laboratório;
À Profª Edna Amante por disponibilizar a estrutura do
Laboratório de Frutas e Hortaliças;
Ao Prof. José Carlos Petrus por disponibilizar a estrutura do
Laboratório de Processos de Separação com Membranas
(LABSEM-EQA) e a Silvia Benedetti pelo grande auxilio com a utilização da
unidade piloto de nanofiltração;
Ao Prof. Ernani Sant‘Anna por disponibilizar a estrutura do
Laboratório de Biotecnologia Alimentar e a Eunice Ilha por nunca ter
me negado ajuda nas diversas vezes que eu solicitei;
Ao Prof. Fábio Murakami, pelo auxílio com as análises térmicas;
À Profª Sandra Ferreira por disponibilizar a estrutura do
Laboratório de Termodinâmica e Tecnologia Supercrítica
(LATESC-EQA) para realização das determinações de densidade e a Kátia
Andrade pelo auxilio com as análises;
Ao Laboratório Central de Microscopia Eletrônica (LCME) da
UFSC, pela utilização do Microscópio Eletrônico de Varredura;
À empresa Tate & Lyle pela doação da polidextrose e a Erika
Arnosti pelo auxilio com o envio da amostra;
À banca, por aceitar o convite de participação e pelas
contribuições fornecidas.
Aos Professores do Programa de Pós-Graduação em Ciência dos
Alimentos (PGCAL) da UFSC pelos ensinamentos e ao também ao
secretário Sérgio de Souza pela disposição em me atender todas as vezes
que precisei.
Ao Seu Bento, pela simpatia e por estar sempre disposto a ajudar.
A CAPES, pela bolsa de estudos e ao CNPq pelo apoio financeiro
(Projeto Universal CNPq processo nº 471942/2012-0).
A todos que de alguma forma contribuíram e torceram por mim e
pelo sucesso deste trabalho.
Este trabalho visou primeiramente desenvolver microcápsulas contendo
o micro-organismo probiótico Bifidobacterium BB-12 através da técnica
de spray drying utilizando soro de leite líquido ou o retentado do soro de
leite obtido por nanofiltração, e prebióticos (inulina ou polidextrose)
como agentes encapsulantes. Foram obtidas seis formulações de
microcápsulas, as quais foram caracterizadas com relação às suas
propriedades físicas (morfologia, tamanho de partícula, teor de umidade,
atividade de água, densidade, tempo de dissolução em água e óleo,
higroscopicidade, cor e propriedades térmicas). A viabilidade da
bactéria probiótica nas microcápsulas também foi avaliada ao longo de
90 dias de armazenamento a 4 ºC e a - 20 ºC. A partir dos resultados,
verificou-se que a utilização do retentado do soro de leite e a presença
dos agentes prebióticos (inulina ou polidextrose) como agentes
encapsulantes não influenciaram a viabilidade de Bifidobacterium
BB-12 nem a morfologia das partículas. Além disso, as características
físicas das microcápsulas foram pouco afetadas pela utilização do soro
de leite ou do retentado obtido por nanofiltração como agentes
encapsulantes. De maneira geral, as microcápsulas produzidas com soro
de leite e inulina apresentaram características físicas mais adequadas,
tais como menores valores de umidade, atividade de água e
higroscopicidade, bem como maior tempo de solubilização em água.
Além disso, os resultados das análises de DSC e TG sugeriram que a
presença dos prebióticos melhorou a estabilidade das microcápsulas. Em
uma segunda etapa, as microcápsulas produzidas somente com soro de
leite, bem como as produzidas com soro de leite e inulina ou soro de
leite e polidextrose, as quais apresentaram os melhores resultados nas
análises anteriores, foram avaliadas com relação à sobrevivência do
probiótico ao processo de spray drying (rendimento) e em condições
adversas, tais como condições gastrointestinais simuladas e tratamentos
térmicos (60, 65 e 70 ºC por 5, 10 e 15 min). As microcápsulas
produzidas somente com soro de leite foram as que apresentaram maior
rendimento de microencapsulação (95,43%) e também conferiram maior
proteção
ao
probiótico
durante
a
exposição
às
condições
gastrointestinais simuladas e aos tratamentos térmicos. Por outro lado,
as microcápsulas produzidas com soro de leite e polidextrose não foram
capazes de proteger a bactéria probiótica em tais condições. Assim, as
microcápsulas produzidas somente com soro de leite e aquelas
produzidas com soro de leite e inulina foram selecionadas para serem
aplicadas em iogurte tipo grego. O produto foi avaliado quanto às suas
propriedades microbiológicas, físico-químicas, de textura e cor durante
28 dias de armazenamento a 4 ± 1 ºC. Além disso, a sobrevivência do
probiótico no iogurte em condições gastrointestinais simuladas também
foi avaliada. O iogurte tipo grego proporcionou um ambiente adequado
para a sobrevivência da bactéria probiótica. Entretanto, a adição do
probiótico na forma microencapsulada não melhorou a viabilidade da
bactéria em comparação ao iogurte adicionado de bactéria na forma
livre. De modo geral, a incorporação das microcápsulas no iogurte tipo
grego afetou propriedades físico-químicas e de textura específicas em
cada amostra, porém, não modificou a cor dos produtos. Todos os
iogurtes apresentaram uma redução na sobrevivência do probiótico
durante a simulação gastrointestinal, contudo, esta diminuição foi mais
pronunciada no iogurte adicionado das microcápsulas produzidas com
soro de leite e inulina.
Palavras-chave: Microencapsulação. Probiótico. Soro de leite.
This study primarily aimed to develop microcapsules containing
Bifidobacterium BB-12 by the spray drying technique using liquid whey
or whey retentate obtained from nanofiltration, and prebiotics (inulin or
polydextrose) as carrier agents. Six formulations of microcapsules were
obtained and the microcapsules were then characterized in relation to
their physical properties (morphology, particle size, moisture content,
water activity, density, time to dissolve in water and in oil,
hygroscopicity, color, and thermal properties). The viability of the
probiotic bacteria in the microcapsules was also evaluated for 90 days at
4 ºC and at – 20 ºC. From the results it was verified that the use of liquid
whey or whey retentate and the presence of prebiotics (inulin or
polydextrose) as carrier agents did not influence the viability of
Bifidobacterium BB-12 and the morphology of the particles. Moreover,
the physical characteristics of the microcapsules were barely affected by
the use of liquid whey or whey retentate obtained from nanofiltration as
carrier agents. In general, the microcapsules produced with liquid whey
and inulin had more desirable physical characteristics, such as lower
values for moisture, water activity and hygroscopicity, as well as longer
time to dissolve in water and oil. Besides, the results of the DSC and TG
analysis suggested that prebiotics improved the stability of the
microcapsules. In a second stage, the microcapsules produced only with
whey, as well as the microcapsules produced with whey and inulin or
whey and polydextrose, which have showed better results in the
previous analyses, were evaluated in relation to the probiotic survival
during spray drying process (encapsulation yield) and under stress
conditions, such as simulated gastrointestinal conditions and heat
treatments (60, 65 and 70 ºC for 5, 10 and 15 min). The microcapsules
produced only with whey showed the highest encapsulation yield
(95.43%) and also conferred better protection of the probiotic during
exposure to simulated gastrointestinal conditions and under heat
treatments. On the other hand, the microcapsules produced with whey
and polydextrose did not confer any protection to the probiotic cells in
such conditions. Thus, the microcapsules prepared only with whey and
those prepared with whey and inulin were selected for applying in
Greek-style yogurt. The product was evaluated in relation to its
microbiological, physicochemical, texture and color properties during
28 days of storage at 4 ± 1 ºC. The survival of the probiotic bacteria in
yogurt under simulated gastrointestinal conditions was also assessed.
The Greek-style yogurt provided a suitable environment for maintaing
the viability of the probiotic bacteria. However, the addition of the
probiotic microencapsulated did not improve the viability of the bacteria
when compared to the yogurt containing probiotic in their free form.
Overall, incorporation of microcapsules into Greek-style yogurt affected
specific physicochemical and textural properties of the samples, but did
not influence the color of the products. All the yogurts showed a
reduction in the survival of the probiotic during the gastrointestinal
simulation; however it was more pronounced in the yogurt added with
microcapsules produced with whey and inulin.
Keywords:
Microencapsulation.
Probiotic.
Whey.
Prebiotic.
Nanofiltration. Greek-style yogurt.
Figura 1.1: Esquema do processo de separação por membranas. ... 34
Figura 1.2: Diferenças entre os processos de separação por membranas
com relação à seletividade e a força motriz aplicada. ... 36
Figura 1.3: Comparação entre filtração convencional e tangencial. ... 37
Figura 1.4: Componentes do leite: tamanho e processo de separação por
membrana. MF: microfiltração, UF: ultrafiltração, NF: nanofiltração,
OI: osmose inversa. ... 39tese
Figura 1.5: Morfologia de diferentes tipos de microcápsulas: A – matriz,
B – microcápsula simples (mononuclear), C – microcápsula simples
irregular, D – microcápsula com duas paredes, E – microcápsula com
vários núcleos (polinuclear ou multinuclear), F – agrupamento de
microcápsulas. ... 43
Figura
1.6:
Representação
esquemática
do
processo
de
microencapsulação pela técnica de spray drying. ... 44
Figura 1.7: Estrutura representativa da inulina. ... 49
Figura 1.8: Estrutura representativa da polidextrose. R= H, sorbitol ou
outra polidextrose. ... 50
Figura 1.9: Condições encontradas no trato gastrointestinal humano. . 53
Figure 2.1: Viability of Bifidobacterium BB-12 microcapsules during
storage time, at 4 ºC (a) and - 20 ºC (b). W1: microcapsules with liquid
whey (●); W2: microcapsules with liquid whey and inulin (■); W3:
microcapsules with liquid whey and polydextrose (▲); WR1:
microcapsules with whey retentate (○); WR2: microcapsules with whey
retentate and inulin (□); WR3: microcapsules with whey retentate and
polydextrose (Δ). ... 88
Figure 2.2: SEM images of microcapsules of Bifidobacterium BB-12
produced with: (a) liquid whey (W1), (b) liquid whey and inulin (W2),
(c) liquid whey and polydextrose (W3), (d) whey retentate (WR1), (e)
whey retentate and inulin (WR2) and (f) whey retentate and
polydextrose (WR3). ... 89
Figure 2.3: SEM micrographs of fragmented microcapsules of
Bifidobacterium BB-12 produced with: (a) whey retentate and inulin
(WR2) and (b) whey retentate and polydextrose (WR3). ... 90
Figure 2.4: DSC curves of raw materials and Bifidobacterium BB-12
microcapsules. (a) W: spray dried liquid whey; WR: spray dried whey
retentate; INU: inulin; PDX: polydextrose; (b) W1: microcapsules with
liquid whey; W2: microcapsules with liquid whey and inulin; W3:
microcapsules with liquid whey and polydextrose; (c) WR1:
microcapsules with whey retentate; WR2: microcapsules with whey
retentate and inulin; WR3: microcapsules with whey retentate and
polydextrose. ... 96
Fig. 2.5: TG/DTG curves of microcapsules of Bifidobacterium BB-12
microcapsules produced with: (a) liquid whey (W1), liquid whey and
inulin (W2), liquid whey and polydextrose (W3) and (b) whey retentate
(WR1), whey retentate and inulin (WR2) and whey retentate and
polydextrose (WR3). ... 98
Figure 3.1: Survival of free and microencapsulated Bifidobacterium
BB-12 after each step of the simulated gastrointestinal conditions. SW:
microcapsules only with sweet whey (■); SWI: microcapsules with
sweet whey and inulin (●); SWP: microcapsules with sweet whey and
polydextrose (▲); Free cells () ... 115
Figura 4.1: Contagens de células viáveis de Bifidobacterium BB-12, S.
thermophilus e L. bulgaricus nas amostras de iogurte tipo grego
contendo Bifidobacterium BB-12 na forma livre ou microencapsulada
durante o armazenamento a 4 ± 1 ºC. ■ Controle: iogurte adicionado de
bifidobactéria na forma livre; □ SW: iogurte adicionado de
bifidobactéria microencapsulada com soro de leite;
SWI: iogurte
adicionado de bifidobactéria microencapsulada com soro de leite e
inulina. ... 134
Tabela 1.1: Composição do leite bovino de raças ocidentais. ... 29
Tabela 1.2: Composição proteica das principais proteínas do leite
bovino. ... 30
Tabela 1.3: Variação da composição dos soros de leite doce e ácido. . 32
Tabela 1.4: Sinônimos de iogurte concentrado e produtos similares em
diferentes países. ... 58
Table 2.1: Composition and total solids content of feed solutions. ... 83
Table 2.2: Characteristics of microcapsules of Bifidobacterium BB-12
prepared with liquid whey, whey retentate obtained from nanofiltration
(NF) and prebiotics... 91
Table 2.3: Color parameters of microcapsules of Bifidobacterium BB-12
prepared with liquid whey, whey retentate obtained from nanofiltration
(NF) and prebiotics... 94
Table 2.4: The DSC of raw materials and microcapsules showing T
peak,
T
onsetand T
endsetand enthalpy (ΔH) measurements. ... 97
Table 2.5: The TG measurements of microcapsules showing mass loss
(∆m) with respective temperature range and DTG
peaktemperature. ... 99
Table 3.1: Processing conditions used in each step of the simulated
gastrointestinal conditions (adapted from Madureira et al., 2011, with
modifications). ... 111
Table 3.2: Viable cells counts of Bifidobacterium BB-12 in the feed
solutions and in the microcapsules produced with different carrier agents
and the encapsulation yields (EY). ... 113
Table 3.3: Survival rates (%) of Bifidobacterium BB-12 free and
microencapsulated after each step of the simulated gastrointestinal
conditions. ... 115
Table 3.4: Effect of heat treatments on viable counts of Bifidobacterium
BB-12 free and microencapsulated with different carrier agents. ... 118
Tabela 4.1: Caracterização físico-química das amostras de iogurte tipo
grego
adicionadas
de
Bifidobacterium
BB-12
livre
ou
microencapsulada no dia 1 de armazenamento (4 ± 1ºC). ... 135
Tabela 4.2: Valores de pH, acidez titulável e sólidos totais das amostras
de iogurte tipo grego adicionadas de Bifidobacterium BB-12 livre ou
microencapsulada durante 28 dias de armazenamento (4 ± 1ºC). ... 136
Tabela 4.3: Parâmetros de textura das amostras de iogurte tipo grego
adicionadas de Bifidobacterium BB-12 livre ou microencapsulada
durante 28 dias de armazenamento (4 ± 1ºC). ... 138
Tabela 4.4. Sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 (log UFC g
-1) nas
amostras de iogurte tipo grego, armazenadas por 28 dias (4 ± 1ºC),
durante a exposição às condições gastrointestinais simuladas. ... 140
Tabela 5.1: Caracterização físico-química do soro de leite e do retentado
do soro obtidos por nanofiltração empregados na produção das
microcápsulas. ... 151
Aw
Atividade de água ou Water activity
CFU
Colony-Forming Unit
DP
Grau de polimerização ou Degree of Polymerization
DQO
Demanda Química de Oxigênio
DSC
Calorimetria exploratória diferencial ou Differential
Scanning Calorimetry
DVS
Direct Vat Set
EY
Encapsulation Yield
FRV
Fator de Redução Volumétrico
GRAS
Generally Recognized as Safe
MEV
Microscopia Eletrônica de Varredura
MRS
DeMan-Rogosa-Sharpe
NF
Nanofiltração ou Nanofiltration
PSM
Processos de Separação por Membrana
RH
Relative Humidity
SEM
Scanning Electron Microscope
TG
Análise termogravimétrica ou Thermogravimetric Analysis
UFC
Unidade Formadora de Colônia
USP
United States Pharmacopeia
VRF
Volume Reduction Factor
WPC
Whey Protein Concentrate
INTRODUÇÃO ... 23
REFERÊNCIAS ... 25
CAPÍTULO 1 - Revisão bibliográfica ... 29
1.1 Leite... 29
1.2 Soro de leite ... 31
1.3 Processos de separação por membrana (PSM) ... 34
1.4 Probióticos ... 39
1.5 Microencapsulação ... 42
1.5.1 Agentes encapsulantes ... 45
1.5.1.1 Prebióticos ... 47
1.6 Caracterização de microcápsulas ... 51
1.7 Tolerância de probióticos às condições gastrointestinais ... 52
1.8 Aplicação de probióticos microencapsulados em iogurtes ... 55
1.9 Iogurte tipo grego ... 57
REFERÊNCIAS ... 59
CAPÍTULO 2 - Potencial da utilização de soro de leite concentrado e
prebióticos como agentes encapsulantes na proteção de Bifidobacterium
BB-12 microencapsulada por spray drying ... 77
RESUMO ... 77
ABSTRACT ... 78
1.INTRODUCTION ... 78
2.MATERIALS AND METHODS ... 80
2.1. Manufacture of the liquid whey and whey retentate ... 80
2.2 Preparation of the bacterial suspension ... 81
2.3 Microencapsulation by spray drying ... 81
2.3.1. Preparation of the drying media ... 81
2.3.2 Spray drying ... 81
2.4 Viability of the microencapsulated bifidobacteria during storage
time ... 84
2.5 Characterization of the microcapsules... 84
2.5.1 Morphology and particle size ... 84
2.5.3 Helium pycnometry... 85
2.5.4 Hygroscopicity ... 85
2.5.5 Dissolution time ... 85
2.5.6 Color analysis ... 85
2.5.7 Differential scanning calorimetry (DSC) ... 86
2.5.8 Thermogravimetric analysis (TG/DTG) ... 86
2.6 Statistical analysis ... 86
3. RESULTS AND DISCUSSION ... 86
3.1 Viability of microencapsulated bifidobacteria during storage time 86
3.2 Characterization of the microcapsules ... 88
4.CONCLUSIONS ... 99
REFERENCES ... 99
CAPÍTULO 3 - Influência da microencapsulação com soro de leite e
prebióticos na sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 submetida a
condições gastrointestinais simuladas e a tratamentos térmicos ... 105
RESUMO ... 105
ABSTRACT ... 106
1. INTRODUCTION ... 106
2. MATERIALS AND METHODS ... 108
2.1. Materials ... 108
2.2 Preparation of the bacterial suspension ... 109
2.3 Preparation of the drying media and microencapsulation ... 109
2.4 Enumeration of bifidobacteria ... 110
2.5 Encapsulation yield ... 110
2.6 Survival of free and microencapsulated cells under in vitro simulated
gastrointestinal conditions... 110
2.7 Survival of free and microencapsulated cells under heat treatments
... 112
2.8 Statistical analysis ... 112
3. RESULTS AND DISCUSSION ... 112
3.1 Enumeration of the bifidobacteria and encapsulation yield ... 112
3.2 Survival of free and microencapsulated cells under in vitro simulated
gastrointestinal conditions... 114
3.3 Survival of the free and microencapsulated cells under heat
treatment ... 117
CAPÍTULO 4 - Efeito da incorporação de Bifidobacterium BB-12
microencapsulada com soro de leite e inulina nas propriedades de
iogurte tipo grego ... 123
RESUMO ... 123
ABSTRACT ... 124
1. INTRODUÇÃO ... 124
2. MATERIAL E MÉTODOS ... 126
2.1 Material ... 126
2.2 Preparo da suspensão de células probióticas ... 127
2.3 Preparo das soluções de alimentação e microencapsulação ... 127
2.4 Fabricação do iogurte tipo grego ... 128
2.5 Análises microbiológicas ... 128
2.6 Análises físico-químicas ... 129
2.7 Análise instrumental de textura ... 129
2.8 Análise de cor ... 130
2.9 Sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 em condições
gastrointestinais simuladas ... 130
2.10 Análise estatística ... 131
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 131
3.1 Análises microbiológicas ... 131
3.2 Análises físico-químicas ... 134
3.3 Análise instrumental de textura ... 137
3.4 Análise de cor ... 139
3.5 Sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 em condições
gastrointestinais simuladas ... 139
4. CONCLUSÃO ... 142
REFERÊNCIAS ... 143
CONCLUSÕES ... 149
APÊNDICE ... 151
APÊNDICE A ... 151
ANEXOS... 153
ANEXO A – Artigo ―Potential use of whey concentrate and prebiotics
as carrier agents to protect Bifidobacterium BB-12 microencapsulated
by spray drying‖ publicado no ―Food Research International‖ (ISSN:
0963-9969) ... 153
ANEXO B – Artigo ―Influence of microencapsulation with sweet whey
and prebiotics on the survival of Bifidobacterium BB-12 under
simulated gastrointestinal conditions and heat treatments‖ publicado no
―LWT - Food Science and Technology‖ (ISSN: 0023-6438) ... 154
Anexo C – Trabalhos apresentados em eventos ... 155
INTRODUÇÃO
Micro-organismos probióticos são conhecidos por proporcionar
uma série de benefícios à saúde do consumidor, principalmente através
da manutenção do equilíbrio e da composição do trato gastrointestinal,
auxiliando na proteção do organismo contra a invasão de patógenos
(RANADHEERA; BAINES; ADAMS, et al., 2010; SAAD et al., 2013).
As bactérias pertencentes aos gêneros Lactobacillus ou Bifidobacterium
encontram-se entre os probióticos mais aplicados em alimentos
(RIVERA-ESPINOZA; GALLARDO-NAVARRO, 2010).
Os iogurtes e demais leites fermentados são os derivados lácteos
mais utilizados para incorporação de probióticos em virtude de sua
grande aceitação pela população em geral e excelente valor nutricional
(LOURENS-HATTINGH; VIJOEN, 2001; GRANATO et al., 2010).
Nos últimos anos, o iogurte concentrado, também conhecido como
iogurte grego, têm se tornado cada vez mais popular entre consumidores
de diversos países (KILARA; CHANDAN, 2013; TAMIME; HICKEY;
MUIR, 2014) e poderia ser empregado como carreador de
micro-organismos probióticos. No entanto, alguns fatores podem influenciar a
viabilidade e estabilidade de probióticos em iogurtes como, por
exemplo, a pós-acidificação do produto, o teor de oxigênio dissolvido,
interações com as culturas iniciadoras, bem como as condições de
processamento e armazenamento (NG et al., 2011; MOHAMMADI et
al., 2012).
Para que exerçam seus efeitos benéficos à saúde, os probióticos
devem permanecer viáveis e em quantidade suficiente no alimento até o
momento do consumo (MAKINEN et al., 2012), além de serem capazes
de
sobreviver
à
passagem
pelo
trato
gastrointestinal
(WEICHSELBAUM,
2009).
Neste
contexto,
métodos
de
microencapsulação têm sido aplicados com a finalidade de proteger os
probióticos contra condições adversas a que são expostos, melhorando
sua sobrevivência (BRINQUES; AYUB, 2011; RATHORE, et al.,
2013). Dentre os métodos de microencapsulação, a técnica de spray
drying apresenta algumas vantagens, como custo relativamente baixo,
facilidade de operação, altas taxas de produção e possibilidade de
aplicação em escala industrial (BURGAIN et al., 2011; GHANDI, et al.,
2012).
Devido ao seu valor nutricional e por serem amplamente
aplicadas em alimentos, as proteínas do soro de leite, principalmente na
forma de concentrado ou isolado, têm sido empregadas como agentes
encapsulantes de probióticos (GBASSI et al., 2009; YING et al., 2012;
GEBARA et al., 2013). O soro de leite é um importante coproduto da
indústria de laticínios, devido ao grande volume produzido e a sua
composição. Contudo, apesar do seu possível aproveitamento na
fabricação de produtos lácteos, muitas vezes o soro de leite é tratado
como resíduo (SISO, 1996; BALDASSO; BARROS; TESSARO, 2011).
De acordo com Castro-Cislaghi et al. (2012), o emprego do soro de leite
na forma líquida como agente encapsulante de probióticos mostra-se
como uma alternativa tecnológica para seu aproveitamento. Levando em
consideração que os processos de separação por membranas, como a
nanofiltração, são úteis para concentração de componentes valiosos do
soro de leite (ROMÁN et al., 2011), a utilização de soro de leite
nanofiltrado como agente encapsulante de probióticos torna-se bastante
promissora.
Com o intuito de aumentar a proteção das culturas probióticas
microncapsuladas, diversos tipos de polissacarídeos têm sido aplicados
em conjunto com as proteínas do soro (GBASSI et al., 2009;
WICHCHUKIT et al., 2013; GEREZ et al., 2012; GEBARA et al.,
2013; HERNÁNDEZ-RODRÍGUEZ et al., 2014). Polissacarídeos com
alegações prebióticas, como é o caso da inulina e da polidextrose,
apresentam potencial para serem utilizados como agentes encapsulantes
de probióticos (CORCORAN et al., 2004; FRITZEN-FREIRE et al.,
2012). No entanto, até o momento, não existem estudos visando o
desenvolvimento e a caracterização de microcápsulas, contendo o
probiótico Bifidobacterium BB-12, produzidas com soro de leite na
forma líquida e prebióticos através da técnica de spray drying, bem
como a aplicação destas microcápsulas em iogurte tipo grego.
A fim de abordar todos os aspectos supracitados, este trabalho,
estruturado na forma artigos, está dividido nos seguintes capítulos:
(a) Capítulo 1 - Revisão Bibliográfica, abordando os principais
temas envolvidos no trabalho: leite, soro de leite, processos de
separação por membrana, probióticos, microencapsulação, agentes
encapsulantes, prebióticos, caracterização de microcápsulas, tolerância
de probióticos às condições gastrointestinais, aplicação de probióticos
microencapsulados em iogurtes, e iogurte tipo grego.
(b) Capítulo 2 – Potencial da utilização de soro de leite
concentrado e prebióticos como agentes encapsulantes na proteção
de Bifidobacterium BB-12 microencapsulada por spray drying, cujo
objetivo foi investigar o potencial do retentado do soro de leite obtido
por nanofiltração, em comparação com o soro de leite não concentrado,
e prebióticos (inulina e polidextrose) como agentes encapsulantes de
foram caracterizadas com relação as suas propriedades físicas, no dia em
que foram produzidas, e a viabilidade da bactéria microencapsulada foi
avaliada durante 90 dias de armazenamento a 4 ºC e a – 20 ºC.
(c) Capítulo 3 – Influência da microencapsulação com soro de
leite e prebióticos na sobrevivência de Bifidobacterium BB-12
submetida a condições gastrointestinais simuladas e a tratamentos
térmicos, cujo objetivo foi avaliar o efeito da microencapsulação por
spray drying, utilizando soro de leite líquido e prebióticos (inulina e
polidextrose) como agentes encapsulantes, na sobrevivência de
Bifidobacterium BB-12 durante o processo de microencapsulação e em
condições adversas, tais como condições gastrointestinais simuladas e
tratamentos térmicos.
(d) Capítulo 4 – Efeito da incorporação de Bifidobacterium
BB-12 microencapsulada com soro de leite e inulina nas
propriedades de iogurte tipo grego, cujo objetivo foi desenvolver um
iogurte
tipo
grego
adicionado
de
Bifidobacterium
BB-12
microencapsula com soro de leite líquido e inulina por spray drying,
assim como avaliar o efeito da adição das microcápsulas nas
propriedades microbiológicas, físico-químicas, de textura e cor durante
28 dias de armazenamento do produto a 4 ± 1 ºC. Também foi avaliada a
sobrevivência da bactéria probiótica na forma livre e microencapsulada
no produto durante a exposição a condições gastrointestinais simuladas,
após 28 dias de armazenamento.
Cabe ressaltar que a escolha das microcápsulas avaliadas no
Capítulo 3, às quais foram produzidas com soro de leite líquido sem
prévia concentração por nanofiltração e prebióticos, foi realizada de
acordo com os resultados observados no Capítulo 2. Da mesma forma, a
seleção das microcápsulas aplicadas em iogurte tipo grego (Capítulo 4)
foi baseada nos resultados obtidos nos Capítulos 2 e 3.
Os artigos publicados em revistas indexadas (Anexos A e B) e os
comprovantes dos trabalhos parciais publicados em eventos científicos
da área de Ciência dos Alimentos (Anexo C) estão apresentados em
anexo.
REFERÊNCIAS
BALDASSO, C.; BARROS, T. C.; TESSARO, I. C. Concentration and
purification of whey proteins by ultrafiltration. Desalination, v. 278, p.
381-386, 2011.
BRINQUES, G. B.; AYUB, M. A. Z. Effect of microencapsulation on
survival of Lactobacillus plantarum in simulated gastrointestinal
conditions, refrigeration, and yogurt. Journal of Food Engineering, v.
103, p. 123-128, 2011.
BURGAIN, J. et al. Encapsulation of probiotic living cells: from
laboratory scale to industrial applications. Journal of Food
Engineering, v. 104, p. 467- 483, 2011.
CASTRO-CISLAGHI, F. P. et al. Bifidobacterium Bb-12
microencapsulated by spray drying with whey: survival under simulated
gastrointestinal conditions, tolerance to NaCl, and viability during
storage. Journal of Food Engineering, v. 113, p. 186-193, 2012.
CORCORAN, B. M. et al. Comparative survival of probiotic lactobacilli
spray-dried in the presence of prebiotic substances. Journal of Applied
Microbiology, v. 96, p. 1024-1039, 2004.
FRITZEN-FREIRE, C. B et al. Microencapsulation of bifidobacteria by
spray drying in the presence of prebiotics. Food Research
International, v. 45, p.306-312, 2012.
GBASSI, G. K. et al. Microencapsulation of Lactobacillus plantarum
spp in an alginate matrix coated with whey proteins. International
Journal of Food Microbiology, v. 129, p. 103-105, 2009.
GEBARA, C. et al. Viability of Lactobacillus acidophilus La5 in
pectin–whey protein microparticles during exposure to simulated
gastrointestinal conditions. Food Research International, v. 51, p.
872-878, 2013.
GEREZ, C. L. et al. Whey protein coating bead improves the survival of
the probiotic Lactobacillus rhamnosus CRL 1505 to low pH. Letters in
Applied Microbiology, v. 54, p. 552-556, 2012.
GHANDI, A. et al. Effect of shear rate and oxygen stresses on the
survival of Lactococcus lactis during the atomization and drying stages
of spray drying: a laboratory and pilot scale study. Journal of Food
Engineering, v. 113, p. 194-200, 2012.
GRANATO, D. et al. Probiotic Dairy Products as Functional
Foods. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, v.
9, p.455-470, 2010.
HERNÁNDEZ-RODRÍGUEZ, L et al. Lactobacillus plantarum
protection by entrapment in whey protein isolate: k-carrageenan
complex coacervates. Food Hydrocolloids, v. 36, 181-188, 2014.
KILARA, A.; CHANDAN, R. C. Greek-style yogurt and related
products. In: R. C. CHANDAN AND A. KILARA. Manufacturing
Yogurt and Fermented Milks. Oxford: John Wiley & Sons, 2013. p.
297-318.
LOURENS-HATTINGH, A.; VILJOEN, B. C. Yogurt as probiotic
carrier food. International Dairy Journal, v. 11, p.1-17, 2001.
MAKINEN, K. et al. Science and technology for the mastership of
probiotic applications in food product. Journal of Biotechnology, v.
162, p. 356-365, 2012.
MOHAMMADI, R.; SOHRABVANDI, S.; MORTAZAVIAN, A. M.
The starter culture characteristics of probiotic microorganisms in
fermented milks. Engineering in Life Sciences, v. 12, p. 399-409,
2012.
NG, E. W.; YEUNG, M.; TONG, P. S. Effects of yogurt starter cultures
on the survival of Lactobacillus acidophilus. International Journal of
Food Microbiology , v. 145, p. 169–175, 2011.
RANADHEERA, R. D. C. S.; BAINES, S. K.; ADAMS, M. C.
Importance of food in probiotic efficacy. Food Research International,
v. 43, p. 1-7, 2010.
RATHORE, S. et al. Microencapsulation of microbial cells. Journal of
Food Engineering, v. 116, p. 369-381, 2013.
RIVERA-ESPINOZA, Y.; GALLARDO-NAVARRO, Y. Non-diary
probiotic products. Food Microbiology, v. 27, p. 1-11, 2010.
ROMÁN, A. et al. Experimental investigation of the sweet whey
concentration by nanofiltration. Food and Bioprocess Technology, v.
4, p. 702-709, 2011.
SAAD, N. et al. An overview of the last advances in probiotic and
prebiotic field. LWT - Food Science and Technology, v. 50, p. 1-16,
2013.
SISO, M. I. G. The biotechnological utilization of cheese whey: a
review. Bioresource Technology, v. 57, p. 1-11, 1996.
TAMIME, A.; HICKEY, M.; MUIR, D. Strained fermented milks – A
review of existing legislative provisions, survey of nutritional labelling
of commercial products in selected markets and terminology of products
in some selected countries. International Journal of Dairy
Technology, v. 67, 2014.
WICHCHUKIT, S. et al. Whey protein/alginate beads as carriers of a
bioactive component. Food Hydrocolloids, v. 33, p. 66-73, 2013.
WEICHSELBAUM, E. Probiotics and health: a review of the evidence.
Nutrition Bulletin, v. 34, p. 340-373, 2009.
YING, D. Y.; SANGUANSRI, L.; WEERAKKODY, R.; AUGUSTIN,
M.
A. Enhanced
survival
of
spray-dried
microencapsulated
Lactobacillus rhamnosus GG in the presenceof glucose. Journal of
CAPÍTULO 1 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 LEITE
O leite é o produto da secreção das glândulas mamárias de
fêmeas mamíferas, cuja função natural é a alimentação dos
recém-nascidos (FOX, 2001; ORDÓÑEZ et al., 2005b). Quando avaliado do
ponto de vista físico-químico, o leite é uma mistura homogênea de
diferentes substâncias, como água, proteínas, lactose, gordura, sais
minerais e vitaminas. Nesta mistura, as substâncias apresentam-se na
forma de suspensão coloidal (micelas de caseínas e partículas
lipoproteicas do soro), dispersão coloidal (proteínas globulares do soro),
emulsão (glóbulos de gordura associados às vitaminas lipossolúveis) e
solução verdadeira em água (lactose, sais minerais e vitaminas
hidrossolúveis) (KOBLITZ, 2011). A aparência branca e opaca é
resultado da dispersão das micelas de caseína e glóbulos de gordura, os
quais são responsáveis pela difusão da luz incidente (NOZIÈRE et al.,
2006). Já o sabor levemente adocicado está relacionado com o equilíbrio
entre os diferentes componentes, como a lactose, o cloreto de sódio, a
gordura e as proteínas (KOBLITZ, 2011).
A composição química do leite varia de acordo com a espécie,
raça, estágio de lactação, volume de leite produzido, alimentação, local
de criação, entre outros (SCHÖNFELDT; HALL; SMIT, 2012). A
Tabela 1.1 apresenta a composição média do leite com relação às
principais classes de compostos e à faixa dos valores médios do leite de
raças bovinas ocidentais.
Tabela 1.1: Composição do leite bovino de raças ocidentais. Componente Porcentagem
média
Variação entre as raças ocidentais a (porcentagens médias) Água 86,6 85,4 - 87,7 Lipídios 4,1 3,4-5,1 Proteínas 3,6 3,3-3,9 Lactose 5,0 4,9-5,0 Cinzas 0,7 0,68-0,74 a
As raças ocidentais incluem Guernsey, Jersey, Ayshine, Brown Swiss,
Shorthorn e Holstein.
Fonte: Damodaran, Parkin e Fennema (2010).
As proteínas são os mais importantes constituintes do leite tanto
do ponto de vista nutricional como fisiológico. Além disso, as proteínas
do leite também apresentam propriedades físico-químicas, funcionais e
tecnológicas distintas, que são amplamente exploradas na indústria de
alimentos (FOX, 2001). Tradicionalmente, as proteínas do leite são
classificadas em duas categorias principais, as caseínas e as proteínas do
soro. As caseínas, o grupo mais abundante (Tabela 2), são
fosfoproteínas, que em sua forma natural, apresentam-se formando
agregados ou partículas (micelas) que consistem de diversas frações,
sendo as majoritárias α
s1,α
s2,β e κ (SGARBIERI, 2005; RAIKOS,
2010). As caseínas α
s1,
α
s2e
β encontram-se na parte central da micela,
enquanto que a caseína κ se distribui em parte no corpo da micela e em
parte na superfície, conferindo-lhe estabilidade físico-química
(SGARBIERI, 2005). A propriedade que distingue as caseínas é a sua
insolubilidade em pH igual a 4,6 (ponto isoelétrico médio das caseínas)
à 20 ºC ou sob ação de enzimas proteolíticas (SGARBIERI, 1996;
FOX, 2001), o que possibilita a produção de leites fermentados, como o
iogurte, e de queijos por coagulação (KOBLITZ, 2011). As proteínas do
soro encontram-se dissolvidas na fase aquosa do leite e, ao contrário das
caseínas, são solúveis em pH 4,6. Contudo, são menos resistentes ao
tratamento térmico, sofrendo desnaturação em temperaturas acima de 70
ºC (SGARBIERI, 2005; KOBLITZ, 2011). As principais proteínas do
soro de leite bovino são β-lactoglobulina, α- lactoalbumina,
imunoglobulinas e soroalbumina bovina (Tabela 1.2) (ORDÓÑEZ et al.,
2005b).
Tabela 1.2: Composição proteica das principais proteínas do leite bovino. Principais proteínas do leite Concentração (g L-1) Porcentagem da proteína total (m/m) Proteína total 33 100 Caseína total 26 79,5 αs1 10 30,6 αs2 2,6 8,0 β 9,3 28,4 κ 3,3 10,1 Proteínas do soro 6,3 19,3 α- Lactoalbumina 1,2 3,7 β-Lactoglobulina 3,2 9,8 Soroalbumina bovina 0,4 1,2 Imunoglobulinas 0,7 2,1 Proteose peptona 0,8 2,4
Fonte: Walstra e Janness (1984) apud Raikos (2010).
Os triglicerídeos representam a maior porção dos lipídios do leite,
compreendendo de 96 a 98% de seu total. Estes lipídios encontram-se
dispersos na forma de glóbulos de 2 a 6 µm de diâmetro, envoltos por
uma membrana lipoproteica, que evita sua coalescência e protege contra
a ação de enzimas (JOST, 2007; DAMODARAN; PARKIN;
FENNEMA, 2010). Outras classes de lipídios incluem fosfolipídios
(0,8%), principalmente associados à membrana do glóbulo de gordura, e
o colesterol (0,3%) (KOBLITZ, 2011). Com relação à composição de
ácidos graxos, os majoritários na gordura do leite bovino são os de
cadeia longa, palmítico, oleico, mirístico e esteárico (ORDÓÑEZ et al.,
2005b).
A lactose é o principal carboidrato do leite e também o
componente mais abundante e mais constante em proporção. Apresenta
gosto doce fraco e baixo poder adoçante (seis vezes menor que a
sacarose) e, no leite, seu gosto doce é mascarado pela presença das
caseínas (KOBLITZ, 2011). Nos produtos lácteos, a lactose apresenta
papel importante, sendo substrato da fermentação pelas bactérias
lácticas, que a hidrolisam em galactose e glicose, e, posteriormente a
convertem em ácido láctico (OLIVEIRA, 2009).
No leite encontram-se presentes todos os minerais considerados
essenciais à dieta humana (KOBLITZ, 2011). Os sais do leite consistem
principalmente de fosfatos, citratos, cloretos, sulfatos, carbonatos e
bicarbonato de sódio, potássio, cálcio e magnésio (DAMODARAN;
PARKIN; FENNEMA, 2010). Em menor quantidade também são
encontrados outros elementos como cobre, ferro, boro, manganês, zinco
e iodo (ORDÓÑEZ et al., 2005b). Dentre estes sais destacam-se aqueles
ligados as micelas de caseína, as quais contêm 8% dos sais do leite
compostos basicamente de fosfato de cálcio e, ainda, quantidades
significantes de magnésio e citrato (DAMODARAN; PARKIN;
FENNEMA, 2010).
Além disso, no leite também estão presentes diferentes tipos de
vitaminas. As lipossolúveis A, D e E encontram-se associadas aos
lipídios do leite, enquanto que e as hidrossolúveis podem ser isoladas a
partir do soro. O leite é considerado, ainda, uma excelente fonte de
riboflavina (vitamina B
2), cianocobalamina (vitamina B
12), tiamina
(vitamina B
1) e de vitamina A (ORDÓÑEZ et al., 2005b; KOBLITZ,
2011).
1.2 SORO DE LEITE
O soro do leite é um líquido amarelo-esverdeado resultante da
precipitação e remoção das caseínas do leite durante o processo de
fabricação de queijos (PRAZERES; CARVALHO; RIVAS, 2012). É
um importante coproduto da indústria leiteira, uma vez que representa
de 85 a 90% do volume do leite e contém mais da metade de seus
sólidos, incluindo proteínas, 20% da proteína total, e a maior parte da
lactose, minerais, vitaminas solúveis (SINHA et al., 2007; BALDASSO;
BARROS; TESSARO, 2011).
O tipo e a composição do soro dependem principalmente das
técnicas utilizadas para separação das caseínas do leite. Dependendo do
método empregado o soro pode ser classificado em soro ácido (pH < 5),
quando é obtido a partir da coagulação do leite por adição de um ácido,
e em soro doce (pH entre 6 e 7), quando é obtido pela ação de enzimas
proteolíticas, como a quimosina. As principais diferenças entre os dois
tipos de soro são o teor de minerais, a acidez e o teor das frações
proteicas do soro (KOSSEVA et al., 2009; YADAV et al,, 2015). A
Tabela 1.3 apresenta a composição dos soros ácido e doce. Além disso,
o tipo de leite utilizado na fabricação do queijo (vaca, cabra, búfala entre
outros mamíferos) também influencia as características do soro de leite
produzido (CARVALHO; PRAZERES; RIVAS, 2013).
Tabela 1.3: Variação da composição dos soros de leite doce e ácido. Componente Soro doce (g L-1) Soro ácido (g L-1) Sólidos totais 63,0 - 70,0 63,0 - 70,0 Lactose 46,0 - 52,0 44,0- 46,0 Proteínas 6,0 - 10,0 6,0 - 8,0 Cálcio 0,4 - 0,6 1,2 - 1,6 Fosfato 1,0 - 3,0 2,0 - 4,5 Lactato 2,0 6,4 Cloreto 1,1 1,1
Fonte: Panesar et al. (2007).
As proteínas do soro, representadas principalmente pela
β-lactoglobulina,
α-lactoalbumina,
soroalbumina
bovina
e
imunoglobulina (Tabela 1.2), são reconhecidas pelo seu alto valor
nutricional e biológico uma vez que apresentam excelente composição e
biodisponibilidade de aminoácidos essenciais e alta digestibilidade
(SGARBIERI, 2005; MADUREIRA et al., 2007). Assim, as proteínas
do soro são uma fonte rica em aminoácidos essenciais, quando
comparadas com outros alimentos tipicamente proteicos (ovo, caseína,
carne e soja), destacando-se os aminoácidos ramificados, leucina,
isoleucina e valina (> 20%) e os aminoácidos sulfurados, metionina e
cisteína (SMITHERS, 2008;
MOLLEA; MARMO; BOSCO
, 2013).
Além das propriedades nutricionais, as proteínas do soro apresentam
propriedades funcionais que conferem características físicas desejáveis
quando utilizadas como ingrediente em alimentos, devido a sua alta
solubilidade, capacidade de absorção de água e capacidades
emulsificantes e de formação de gel (GARCÍA-GARIBAY;
JIMÉNEZ-GUZMÁN; HERNÁNDEZ-SÁNCHEZ, 2008).
A indústria de laticínios em todo o mundo gera um volume
bastante representativo de soro de leite. Considerando que para cada
quilo de queijo produzido sejam originados entorno de 9 quilos de soro
(SISO, 1996; SMITHERS, 2008), no ano de 2014 em que a produção
mundial de queijo foi estimada em cerca de 21 milhões de toneladas
(OECD/FAO, 2015), foram gerados em torno de 189 milhões de
toneladas de soro. O soro oriundo da fabricação de queijos, além de
poder ser empregado na produção de derivados lácteos como a ricota
(PIZZILLO et al., 2005) e bebidas lácteas (CASTRO et al., 2008) pode
ser submetido a diferentes tratamentos dando origem a produtos
derivados com perfis específicos de proteínas, minerais, lipídios e
açúcares (MADUREIRA et al., 2007). Técnicas de separação por
membranas permitem a separação do soro em diversas frações, sendo
possível o aproveitamento do soro na forma de lactose, soro em pó e
concentrados proteicos com elevados teores de proteínas (WPC – whey
protein concentrate, contendo tipicamente 35, 50, 65 ou 80% de
proteínas ou WPI – whey protein isolate, contendo acima de 90% de
proteínas) (SMITHERS, 2008; PERRONE; PEREIRA; CARVALHO,
2011; YADAV et al., 2015). De acordo com Kosseva et al. (2009) cerca
de 50% da produção mundial de soro de leite é tratada e transformada
em outros produtos alimentícios, sendo que, do total de soro
aproveitado, aproximadamente 45% é empregado diretamente na forma
líquida, 30 % é utilizado na produção de soro em pó, 15% destina-se a
obtenção de produtos com e sem lactose e o restante é direcionado para
obtenção de proteína concentrada do soro.
Apesar do possível aproveitamento do soro na obtenção destes
produtos, muitas vezes ele ainda é tratado como resíduo e seu tratamento
representa um sério problema devido a sua elevada carga orgânica
(BALDASSO; BARROS; TESSARO, 2011). Segundo Carvalho,
Prazeres e Rivas (2013) o soro apresenta uma demanda química de
oxigênio (DQO) entre 50 e 102 g L
-1e uma demanda bioquímica de
oxigênio entre 27 e 60 g L
-1, o que equivale a cem vezes a poluição do
esgoto doméstico. Dessa forma, a identificação de alternativas para o
aproveitamento adequado do soro de leite é de fundamental importância
em função de sua qualidade nutricional, do volume produzido e de seu
poder poluente.
1.3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANA (PSM)
Os processos de separação por membranas (PSM) têm sido
empregados nos mais diferentes setores de atividade na indústria
química, farmacêutica (HAELSSIG et al., 2011; WERHAN;
FARSHORI; ROHR, 2012), biotecnológica (CHARCOSSET, 2006),
alimentícia (SAXENA et al., 2009; MURAKAMI et al., 2013) e
também em tratamento de águas residuais (MA et al., 2013). Quando
comparado com os métodos convencionais de separação, os PSM
apresentam diversas vantagens como alta seletividade; redução do gasto
energético, pois tais processos não envolvem mudanças de fase;
operação em temperaturas amenas, preservando as características
nutricionais e sensoriais do produto obtido; e ser de fácil aplicação e
operação (ORDÓÑEZ et al., 2005a; HABERT; BORGES; NÓBREGA,
2006; SAXENA et al., 2009).
Tais processos empregam membranas artificiais visando à
concentração e/ou fracionamento de componentes de uma mistura
(HABERT; BORGES; NÓBREGA, 2006). De uma maneira geral, uma
membrana é uma barreira que separa duas fases e que restringe total ou
parcialmente o transporte de uma ou várias espécies químicas presentes
nas fases (CHEN et al., 2008). Um filtro convencional também se
encaixa na definição de membrana, no entanto, o termo ―filtro‖ é
normalmente limitado a estruturas que separam suspensões de partículas
maiores do que 1-10 µm (FANE; WANG; JIA, 2008).
Nos PSM a alimentação é dividida em duas correntes distintas, o
concentrado ou retentado, e o permeado. O concentrado é a fração que
não permeia a membrana, enquanto que o permeado é a fração que passa
através da membrana, conforme pode ser observado na Figura 1.1
(CHEN et al., 2008).
Figura 1.1: Esquema do processo de separação por membranas.
As membranas utilizadas nos PSM podem ser classificadas de
acordo com a estrutura morfológica, natureza (material), e configuração
modular (CHERYAN, 1998). De acordo com a sua morfologia as
membranas podem ser classificadas em densas e porosas. Nas
membranas porosas o transporte através da mesma ocorre devido à
diferença de tamanho entre as partículas e os poros da membrana, sendo
que o mecanismo de transporte é a convecção. Por outro lado, as
membranas densas não possuem poros e o transporte dos componentes
envolve a sorção das moléculas na superfície da membrana, a difusão
através do material que constitui a membrana e por fim, a dessorção das
moléculas no lado do permeado. Além disso, tanto as membranas densas
como as porosas podem ser isotrópicas ou anisotrópicas, ou seja, podem
ou não apresentar as mesmas características morfológicas ao longo de
sua espessura (MULDER, 1996; HABERT; BORGES; NÓBREGA,
2006).
As membranas são dispostas em módulos que as acomodam e
oferecem suporte. A configuração modular destas estruturas pode
apresentar tanto a geometria plana (placa-quadro e espiral) como a
geometria cilíndrica (tubular, capilar e fibra oca) (HABERT; BORGES;
NÓBREGA, 2006; ZHANG et al., 2012). Além disso, estes módulos
devem possuir canais para alimentação e para a remoção do concentrado
e do permeado, além de atender a características de interesse, como ter
alta razão de área de permeação por volume ocupado; baixo custo de
fabricação; facilidade de operação e limpeza; e possibilidade e
facilidade de troca da membrana (DEBON, 2009).
Para que ocorra o transporte através da membrana é necessária
uma força motriz agindo sobre a mesma (HABERT; BORGES;
NÓBREGA, 2006). Normalmente, a força motriz utilizada para atingir o
fluxo desejado é o gradiente de pressão hidrostática, contudo, em alguns
casos, gradientes de concentração e potencial elétrico também são
empregados (ROSENBERG, 1995; CHEN et al., 2008). Dentre os PSM
que utilizam pressão como força motriz encontram-se a microfiltração
(MF), a ultrafiltração (UF), a nanofiltração (NF) e a osmose inversa
(OI), os quais se diferenciam pelo tamanho médio do poro da membrana
e pela pressão necessária para promover a separação (Figura 1.2).
Quanto menor o tamanho do poro da membrana maior é a pressão
necessária para promover a passagem do fluido através da membrana.
As faixas de pressão utilizadas nestes processos estão entre 0,2 a 3,5 bar
para a microfiltração; 0,5 a 5 bar para a ultrafiltração; 1,5 a 40 bar para a
nanofiltração; e de 20 a 100 bar para a osmose inversa (CHERYAN,
1998).
Figura 1.2: Diferenças entre os processos de separação por membranas com relação à seletividade e a força motriz aplicada.
Fonte: Habert, Borges e Nóbrega (2006).
Dois métodos de filtração podem ser utilizados nos PSM; o
método de filtração convencional ou perpendicular (dead-end filtration)
e a filtração tangencial (cross-flow filtration) (Figura 1.3) (CHERYAN,
1998). Na filtração convencional o escoamento do fluido ocorre
perpendicularmente à superfície da membrana, fazendo com que os
solutos se depositem sobre a mesma, o que resulta em uma diminuição
considerável do fluxo do permeado e torna necessário interromper o
processo para limpeza da membrana (DZIEZAK, 1990; MULDER,
1996). Por outro lado, na filtração tangencial o fluido escoa
paralelamente à superfície da membrana, permitindo o arraste contínuo
dos
solutos,
enquanto
que
o
permeado
é
transportado
perpendicularmente, o que possibilita manter o fluxo e torna o processo
mais eficiente (BAKER 2004; HABERT; BORGES; NÓBREGA,
2006).
Figura 1.3: Comparação entre filtração convencional e tangencial.
Fonte: Silva (2010).
Alguns parâmetros são importantes para avaliar o desempenho
operacional dos processos de separação por membranas, como por
exemplo, o fluxo do permeado, o fator de redução volumétrico e o
coeficiente de retenção. O fluxo do permeado (J) (Equação 1.1)
representa a quantidade de fluido que passa através da membrana em um
determinado tempo, onde V
p é a quantidade de permeado coletadodurante um tempo t e A é a área da superfície de permeação da
membrana, sendo normalmente expresso em L/m
2.h. O fator de redução
volumétrico (FRV) (Equação 1.2) avalia a redução do volume do fluido
de alimentação durante o processo, ou seja, a relação entre o volume do
alimentado (V
a) e o volume do retentado (V
r). Já o coeficiente de
retenção (R) (Equação 1.3) avalia a qualidade do processo de separação
com relação a um determinado componente de interesse, onde C
pé a
concentração do composto no permeado e C
ré a concentração do
𝐽 =
𝑉𝑝 𝐴 ×𝑡(1.1)
𝐹𝑅𝑉 =
𝑉𝑎 𝑉𝑟(1.2)
𝑅 = 1 −
𝐶𝑝 𝐶𝑟× 100
(1.3)
Mesmo quando se utiliza o método de filtração tangencial se
observa uma redução contínua do fluxo do permeado com o tempo
(Figura 1.3). Este declínio é atribuído a alguns fenômenos decorrentes
do processo, tais como a polarização da concentração, a camada de gel
polarizada e o efeito fouling (entupimento dos poros da membrana)
(CHERYAN, 1998). A polarização da concentração ocorre devido ao
aumento na concentração dos solutos retidos próximos à superfície da
membrana, formando um gradiente de concentração entre a superfície da
membrana e a zona da corrente de alimentação (CHERYAN, 1998;
HABERT; BORGES; NÓBREGA, 2006). Quando a concentração das
partículas próximas à superfície filtrante excede seu limite de
solubilidade, ocorre a formação de uma camada de gel polarizada,
resultado da precipitação por supersaturação das macromoléculas,
ocasionando um aumento a resistência ao fluxo do permeado. A
polarização da concentração é considerada um fenômeno reversível, e
pode ser minimizada através de mudanças nas condições de operação
(CHERYAN, 1998; BASSETTI, 2002; DEBON, 2009). Além da
camada gel polarizada, ocorre durante a filtração o fouling, o qual
provoca alterações irreversíveis nas propriedades da membrana sendo
caracterizado pela deposição e acúmulo de solutos na superfície e dentro
dos poros. Como o fouling é causado por interações específicas entre os
componentes do alimentado e a membrana, não pode ser minimizado
através de modificações das condições hidrodinâmicas do sistema,
sendo necessária a aplicação de processos de limpeza (SAXENA, 2009).
Os PSM apresentam diversas aplicações na indústria de laticínios,
sendo empregados para concentração e fracionamento dos componentes
do leite (Figura 1.4) (BRANS et al., 2004). A ultrafiltração e a
nanofiltração são aplicadas para processamento de soro de leite com o
intuito de aumentar o conteúdo de proteínas e obter produtos comerciais
conhecidos como whey protein concentrate (WPC). Entretanto, a
produção de WPC utilizando ultrafiltração não soluciona completamente
o problema de reutilização do soro uma vez que o permeado ainda
contém grandes quantidades de lactose e sais, apresentando uma alta
DQO (ATRA et al., 2005; BUTYLINA; LUQUE; NYSTRÖM, 2006).
Dessa forma, o emprego da nanofiltração é útil para concentração de
componentes valiosos do soro, sendo mais econômico que a evaporação,
uma vez que não utiliza calor (ROMÁN et al., 2011).
Figura 1.4: Componentes do leite: tamanho e processo de separação por membrana. MF: microfiltração, UF: ultrafiltração, NF: nanofiltração, OI: osmose inversa.
Fonte: Adaptado de Brans et al. (2004).
